矩形渠道翼形量水槽仿生優(yōu)化試驗(yàn)研究

劉鴻濤，屈忠義，向丹丹

矩形渠道翼形量水槽仿生優(yōu)化試驗(yàn)研究

劉鴻濤1, 2, 3，屈忠義1*，向丹丹2, 3

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018；2.長春工程學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，長春 130012；3.吉林省水工程安全與災(zāi)害防治工程實(shí)驗(yàn)室，長春 130012）

【目的】探索利用仿生技術(shù)優(yōu)化翼形量水槽，期望降低過槽水頭損失、提高臨界淹沒度，以適用于更小比降的渠道，助力國家節(jié)水行動?！痉椒ā?5種流量條件下，試驗(yàn)觀測量水槽進(jìn)口到出口多個測流斷面的水位，對機(jī)翼形量水槽和仿賽鴿翼截面曲線型量水槽自由出流工況下的水頭損失、壅水高度、佛汝德數(shù)、臨界比降等水力參數(shù)進(jìn)行分析與對比?！窘Y(jié)果】仿賽鴿翼截面曲線型量水槽平均測流誤差為1.28%，具有較高的測流精度，滿足規(guī)范要求；與機(jī)翼形量水槽相比，臨界淹沒工況：平均壅水高度、平均水頭損失分別降低7.46%、5.81%；上游可形成平穩(wěn)緩流，均小于0.4；工作的最小渠道比降接近1/5 000，臨界淹沒度最大值達(dá)0.933?！窘Y(jié)論】通過仿生優(yōu)化方法改善量水槽性能可行，仿賽鴿翼截面曲線型量水槽各項量水性能指標(biāo)優(yōu)良，可用于大多數(shù)支渠、斗渠、農(nóng)渠量水，在一定程度上解決了平原灌區(qū)渠道量水槽淹沒出流誤差大、阻水嚴(yán)重、適用范圍小等問題，具有非常好的應(yīng)用前景。

賽鴿翼；量水槽；壅水高度；水頭損失；臨界淹沒度

0 引言

【研究意義】黨的十九大明確提出“實(shí)施國家節(jié)水行動”，目標(biāo)是2035年灌溉節(jié)水達(dá)到世界先進(jìn)水平[1-3]。灌區(qū)渠道量水是實(shí)行計劃用水和準(zhǔn)確用水、輸水、配水、灌水的重要手段，量水槽在灌區(qū)用水管理中有重要作用，可有效促進(jìn)灌區(qū)節(jié)水灌溉的發(fā)展，具有結(jié)構(gòu)簡單易用，適合我國灌區(qū)“面大片廣”的特點(diǎn)。但大多襯砌渠道設(shè)計時未對量水槽做相關(guān)規(guī)劃，給已有的渠道配套量水槽帶來“額外”的水頭損失，而且導(dǎo)致渠道壅水。因此通過對量水槽的試驗(yàn)與研究對其量水性能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，找到具有結(jié)構(gòu)簡單、水頭損失小、量水精度高、臨界淹沒度高、流量計算公式簡明的渠道量水設(shè)備，對灌區(qū)用水管理工作具有十分重大的意義。

【研究進(jìn)展】國外學(xué)者從19世紀(jì)20年代就開始著手利用量水槽進(jìn)行灌區(qū)渠道流量及水量測量的相關(guān)研究。1926年美國人Parshall研發(fā)了著名的“巴歇爾量水槽”[4-5]，1967年Skogerboe在巴歇爾量水槽的基礎(chǔ)上研究改進(jìn)，首次提出了結(jié)構(gòu)更為簡單的無喉道量水槽[6-7]，這一發(fā)明被認(rèn)為是灌排技術(shù)的重要進(jìn)步，在這一階段，國內(nèi)外研究人員不斷改進(jìn)量水槽外輪廓曲線以優(yōu)化其性能；我國也于20世紀(jì)50年代開始了量水槽的引進(jìn)和研發(fā)工作，并逐漸形成了具有自己特色的研究成果[8]；20世紀(jì)80年代，Hager[9]發(fā)明圓柱形量水槽，呂宏興等[10]發(fā)明了U形渠道平底拋物線形量水槽，量水槽外輪廓線由折線向規(guī)則曲線發(fā)展，最大臨界淹沒度提高到0.8以上；21世紀(jì)初，量水槽外輪廓線由規(guī)則曲線向流線型發(fā)展[11-13]，呂宏興、洪成等根據(jù)文丘里型量水槽的測流原理提出的一種新型量水槽，其過水側(cè)外形為仿真機(jī)翼形狀，由特定曲線方程控制，結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、各項量水性能均不同程度提升，各項研究表明其在既有量水槽中最優(yōu)[14-16]。

【切入點(diǎn)】量水槽的形狀原則上可以是任意的，但良好的槽壁體形可以使水流順暢，可減少局部水頭損失并提高測流精度。研究人員長期探索不同量水槽外輪廓線優(yōu)化其性能，希望降低水頭損失、提高臨界淹沒度，讓量水槽適用于更小比降的渠道，但成效甚微[18]。機(jī)翼形量水槽是通過在渠道二側(cè)邊壁上修筑機(jī)翼形槽體所形成的一類新型量水槽，然后在自由出流情況下，經(jīng)過實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)機(jī)翼形量水槽最小渠道工作比降約為1/1 500左右，適用范圍較窄。因此應(yīng)對翼形量水槽做進(jìn)一步優(yōu)化，探索更優(yōu)的最小工作比降，對前期研究加以補(bǔ)充?！緮M解決的關(guān)鍵問題】鑒于此，本文基于仿生學(xué)原理，利用賽鴿翼截面曲線探索優(yōu)化量水槽，通過對比模型試驗(yàn)評價其量水性能和應(yīng)用前景，研發(fā)了仿賽鴿翼截面曲線型量水槽，明晰了其渠道臨界比降—臨界淹沒度—過槽流量相關(guān)關(guān)系，確定了其自由出流最小臨界比降，該結(jié)果對灌區(qū)渠道精細(xì)量水具有一定的理論意義和應(yīng)用價值。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 仿賽鴿翼截面曲線型量水槽構(gòu)造

經(jīng)過長期的演進(jìn)，賽鴿的軀體結(jié)構(gòu)近乎完美，鴿翼在飛行中的減阻性能極佳，這一特性與量水槽降低水頭損失的需求十分契合[19-22]，故截取賽鴿次級飛羽（副翼）與鴿身交界剖面，利用鴿翼剖面外輪廓線優(yōu)化翼形量水槽，如圖1所示。以圖1中剖面迎流端頂點(diǎn)為基點(diǎn)，水平截取鴿翼上表面曲線作為量水槽外輪廓線，沿矩形渠道中心線對稱修砌仿賽鴿翼截面曲線型量水槽，由于量水槽束窄了渠道過水?dāng)嗝妫魍ㄟ^時就會產(chǎn)生流態(tài)變化，自由出流時，量水槽中某一斷面發(fā)生臨界流，量水槽上游水位與過槽流量之間具有穩(wěn)定的水位—流量關(guān)系，仿賽鴿翼截面曲線型量水槽結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 賽鴿翼剖面位置及剖面

圖2 仿賽鴿翼截面曲線型量水槽結(jié)構(gòu)

1.2 模型量水槽結(jié)構(gòu)參數(shù)和試驗(yàn)裝置

1.2.1 模型試驗(yàn)量水槽結(jié)構(gòu)參數(shù)

由于實(shí)際應(yīng)用過程中，水位和流量不能進(jìn)行人為控制，為了更準(zhǔn)確和全面的進(jìn)行研究，將引大入秦總干渠矩形渠道按1∶15的比尺縮放，進(jìn)行模型試驗(yàn)[23]。收縮比是量水槽喉口處斷面面積與渠道全斷面面積的比值，當(dāng)量水槽外輪廓線確定時，確定收縮比即確定量水槽結(jié)構(gòu)尺寸，本文模型試驗(yàn)設(shè)計0.516和0.541收縮比。引大入秦總干渠矩形渠道底寬4.5 m，按比尺縮放的模型渠道底寬0.3 m，根據(jù)設(shè)計收縮比可以分別確定機(jī)翼形量水槽和仿賽鴿翼截面曲線型量水槽的翼高、翼長和喉口寬度，具體模型試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 模型試驗(yàn)量水槽結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2.2 模型試驗(yàn)裝置和儀器

模型試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室渠系試驗(yàn)臺上進(jìn)行，矩形試驗(yàn)渠道長、寬、高分別為：7.0、0.3、0.4 m，試驗(yàn)最大供水流量為100 m3/h，試驗(yàn)流量通過變頻器精細(xì)調(diào)節(jié)。渠系試驗(yàn)臺有機(jī)玻璃渠道按平底制作，在渠道出水口前安裝調(diào)節(jié)比降裝置，通過調(diào)整比降板與渠底的夾角，模擬不同的渠道比降，比降板調(diào)節(jié)范圍0°～60°，如圖3。水位觀測分別采用：自制測壓排和水位測針（SCM60型、精度±0.1 mm），試驗(yàn)流量利用矩形薄壁堰量測，流程見圖4。

圖3 比降調(diào)節(jié)裝置

圖4 模型試驗(yàn)裝置工作流程

1.2.3 試驗(yàn)渠道比降-角度-流量關(guān)系測定

臨界淹沒工況對應(yīng)的渠道比降是量水槽工作的關(guān)鍵參數(shù)，故開展試驗(yàn)渠道流量-比降-角度關(guān)系測定。在未安裝量水槽前，供水流量穩(wěn)定后，調(diào)整比降板角度（調(diào)節(jié)范圍0°～60°），測定渠道水面線，矩形薄壁堰測算流量，有機(jī)玻璃板糙率取=0.011。試驗(yàn)渠道流量-比降-角度關(guān)系見圖5。

圖5 渠道比降-角度-流量關(guān)系

1.2.4 流量計算公式

在渠道上修建量水槽形成側(cè)收縮，水流通過渠道收縮段時，喉口斷面（側(cè)收縮最大斷面）產(chǎn)生臨界流，自由出流（上游水位不變，下游水位不影響上游水位）條件下，過槽流量與量水槽上游水位具有穩(wěn)定的水位-流量關(guān)系。應(yīng)用量綱分析π定理，建立量綱和諧的流量計算公式[23]。

仿賽鴿翼截面曲線型量水槽流量式（1）為：

式中：為流量（m3/s）；g為重力加速度（m/s2）；c為喉口寬度（m）；為上游水深（m）。

圖6 仿賽鴿翼截面曲線型量水槽模型

2 模型試驗(yàn)分析及量水性能參數(shù)對比

2.1 測流精度

測流精度是量水槽研究的重要技術(shù)指標(biāo)，可直觀描述量水槽量水性能的優(yōu)劣。將仿賽鴿翼截面曲線型量水槽流量計算式（1）得出的計算流量與實(shí)測流量繪于圖7中，發(fā)現(xiàn)仿賽鴿翼截面曲線型量水槽測流誤差小于5%（平均誤差1.28%），各工況符合規(guī)范要求[24]。

圖7 仿賽鴿翼截面曲線型量水槽模型試驗(yàn)計算流量與實(shí)測流量對比

2.2 壅水高度對比

如圖8所示，臨界淹沒工況下，機(jī)翼形量水槽壅水高度占上游水頭的平均百分比為18.04%，仿賽鴿翼截面曲線型量水槽壅水高度占上游水頭的平均百分比為10.58%，量水槽的壅水高度總體上隨流量的增大而增大，在各種流量工況臨界淹沒狀態(tài)下，仿賽鴿翼截面曲線型量水槽壅水高度相比于機(jī)翼形量水槽平均降低7.46%。

圖8 臨界淹沒狀態(tài)下2種量水槽壅水高度對比

2.3 上游佛汝德數(shù)對比

將各種流量工況狀態(tài)下，機(jī)翼形量水槽上游佛汝德數(shù)和仿賽鴿翼截面曲線型量水槽上游佛汝德數(shù)繪于圖9，2種量水槽在水位測量斷面上游佛汝德數(shù)均小于0.4，為平穩(wěn)緩流。流量變化時，2種量水槽上游佛汝德數(shù)幾乎不變。

2.4 臨界淹沒度對比

自由出流工況下，下游水深不影響上游水深，當(dāng)下游水深影響上游水深時，為淹沒出流，同時流量計算誤差開始加大。試驗(yàn)時，通過調(diào)節(jié)渠道水面線得到臨界狀態(tài)，確定臨界淹沒度如圖10所示，機(jī)翼形量水槽和仿賽鴿翼截面曲線型量水槽的最大臨界淹沒度分別為0.897和0.933。

圖9 不同流量工況下2種量水槽上游佛汝德數(shù)對比

圖10 不同流量工況下2種量水槽臨界淹沒度對比

2.5 水頭損失對比

如圖11所示，2種量水槽水頭損失基本上隨流量的增大而增大，在各種流量工況臨界淹沒狀態(tài)下，機(jī)翼形量水槽水頭損失占上游水頭的平均百分比為14.73%，仿賽鴿翼截面曲線型量水槽水頭損失占上游水頭的平均百分比為8.92%，平均降低5.81%。

圖11 臨界淹沒狀態(tài)下2種量水槽水頭損失對比

2.6 臨界比降對比

在模型試驗(yàn)時，各流量工況臨界淹沒狀態(tài)下，比降板與渠道之間的夾角為臨界角度，根據(jù)流量和臨界角度查圖5的渠道比降-角度-流量關(guān)系，確定各流量工況臨界淹沒狀態(tài)下的渠道比降，將其稱為臨界比降，2種量水槽各流量工況臨界比降見表2。由表2可知，在同樣的條件下，流量越大，臨界比降逐漸變小，且相比于機(jī)翼型量水槽，矩形渠道仿賽鴿翼截面曲線型量水槽臨界比降更加穩(wěn)定，可知臨界比降越小越適合在平原灌區(qū)應(yīng)用。

表2 臨界比降-臨界角度-流量關(guān)系表

3 討論

水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失，沿程水頭損失與流程正相關(guān)，對于特設(shè)量水槽產(chǎn)生的局部水頭損失比沿程水頭損失大得多，幾乎等于總水頭損失。灌溉水經(jīng)過量水槽受到阻礙，由于慣性，灌溉水與槽壁脫離形成漩渦，強(qiáng)烈紊動導(dǎo)致水頭損失；漩渦隨灌溉水流向下游運(yùn)動，導(dǎo)致下游一定范圍內(nèi)紊動加劇，水頭損失加大；量水槽附近，流速分布變化很快，也會造成一定的水頭損失。翼形量水槽對稱修筑，對水流的阻力合力方向平行于明渠均勻流流線，且方向相反，在垂直水流方向?qū)λ髯饔昧缀鯙?，有效降低流線的交叉碰撞和液體質(zhì)點(diǎn)的紊動強(qiáng)度，從而降低水頭損失[25-30]。

翼形量水槽水頭損失由進(jìn)口收縮段、出口擴(kuò)散段和出口擴(kuò)散段至下游一段距離內(nèi)的水頭損失3部分組成。同翼高時，矩形渠道仿賽鴿翼截面曲線型量水槽進(jìn)口距離喉口為3.17倍翼高、喉口距離出口5.44倍翼高，機(jī)翼形量水槽進(jìn)口距離喉口為1.50倍翼高、喉口距離出口3.50倍翼高，仿賽鴿翼截面曲線型量水槽進(jìn)口收縮段和出口擴(kuò)散段流線曲率半徑更大、過渡范圍更長，量水槽段流程流速分布變化不均勻性降低，有效減小了相鄰流層間相對運(yùn)動的內(nèi)摩擦力，水頭損失更小[31]。但并不說明進(jìn)出口長度越大，外輪廓線曲率越小越好，量水槽長度的增加會導(dǎo)致沿程水頭損失不能被忽略[32]。

灌溉水流經(jīng)量水槽時流態(tài)發(fā)生“緩流-急流-緩流”的變化，動能和勢能之間相互轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生熱能形式的機(jī)械能損失。由模型試驗(yàn)各測排斷面佛汝德數(shù)變化情況看，矩形渠道仿賽鴿翼截面曲線型量水槽較機(jī)翼形量水槽流態(tài)變化歷時更短，產(chǎn)生的熱能消耗更小，也是產(chǎn)生較小水頭損失的原因[11]。另外，臨界淹沒工況，水躍斷面均位于喉口下游、量水槽出口上游，邊壁脫流得以緩解，產(chǎn)生的旋渦有效減少，水頭損失更小[29]。本文探討臨界淹沒工況，流量一定時上游水深不變，水頭損失減小，渠道斷面不變，下游斷面水深更大，臨界淹沒度必然更高，壅水高度更小。

4 結(jié)論

1）矩形渠道仿賽鴿翼截面曲線型量水槽上游可以形成平穩(wěn)緩流，上游均小于0.4，有利于保證測流精度；其測流精度較高，平均測流誤差1.28%，滿足規(guī)范相關(guān)要求。

2）臨界淹沒工況，矩形渠道仿賽鴿翼截面曲線型量水槽較機(jī)翼形量水槽壅水高度平均降低了7.46%，水頭損失平均降低了5.81%。

3）矩形渠道仿賽鴿翼截面曲線型量水槽最大臨界淹沒度可達(dá)0.933，自由出流的最小工作比降（臨界比降）接近1/5 000。

4）利用仿生技術(shù)可以優(yōu)化量水槽性能，優(yōu)化的矩形渠道仿賽鴿翼截面曲線型量水槽量水性能極佳，可用于大多數(shù)矩形配水渠道量水，在一定程度上解決了平原灌區(qū)渠道量水槽淹沒出流誤差大、阻水嚴(yán)重、適用范圍小等問題，助力國家節(jié)水行動，具有非常好的應(yīng)用前景。

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Bionic Optimization of Wing-shaped Flume for Rectangular Channel Based on Experimental Study

LIU Hongtao1,2,3, QU Zhongyi1*, XIANG Dandan2,3

(1. School of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China;2. School of Water Conservancy and Environmental Engineering, Changchun Institute of Technology, Changchun 130012, China;3. Jilin Province Water Engineering Safety and Disaster Prevention Engineering Lab, Changchun 130012, China)

【Objective】Flume is a device to measure water flow in open channels. The purpose of this paper is to propose a bionic technology to optimize wing-shaped flume in attempts to reduce the head loss across the flume and improve the critical submergence degree for channels in areas with small topographic gradient.【Method】The experiments compared 15 flow conditions. The change in water levels from the inlet to the outlet of the flumes was measured. These enabled us to analyze the hydraulic parameters including water head loss, backwater height, Frude number and critical gradient, and to compare the performance of the original wing-shaped flume and the optimized imitation pigeon wing section curve type flume.【Result】The average error of the optimized imitation pigeon wing section curve type flume is 1.28%, meeting the requirements. Compared with the original wing-shaped flume, the critical submergence degree working condition, the average backwater height and the average head loss of the optimized flume are reduced by 7.46% and 5.81% respectively, the flow in the upstream became smoother with the<0.4. The minimum the channel gradient at which the optimized flume can work with is close to 1/5 000, and the critical submergence degree is 0.933. 【Conclusion】It is feasible to improve the performance of the wing-shaped flume by bionic optimization. The performance of the optimized imitation pigeon wing section curve type flume works well for various channels. It can be used in branch canals, bucket canals and agricultural canals. It resolves the shortcomings of large inundation outflow, serious water obstruction often seen in traditional flumes.

racing pigeon wings;measuring flume;height of backwater;head loss;critical submergence degree

1672 - 3317（2022）09 - 0140 - 07

S274.4

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021428

劉鴻濤, 屈忠義, 向丹丹. 矩形渠道翼形量水槽仿生優(yōu)化試驗(yàn)研究[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2022, 41(9): 140-146.

LIU Hongtao, QU Zhongyi, XIANG Dandan. Bionic Optimization of Wing-shaped Flume for Rectangular Channel Based on Experimental Study[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(9): 140-146.

2021-09-06

國家自然科學(xué)基金項目（41761050）；吉林省科技廳重點(diǎn)科技研發(fā)項目（專項支持）（20180201036SF）；吉林省高?？萍寂c社科“十三五”科研規(guī)劃項目（JJKH20200629KJ）；內(nèi)蒙古自治區(qū)水利建設(shè)基金項目（213-03-10-303002-nsk2018-M5）

劉鴻濤（1979-），男。教授，主要從事灌區(qū)現(xiàn)代化技術(shù)、水工水力學(xué)、堤防侵蝕防控技術(shù)研究。E-mail: 576609094@qq.com

屈忠義（1969-），男。教授，主要從事區(qū)域水土環(huán)境與節(jié)水灌溉理論技術(shù)研究。E-mail: quzhongyi@imau.edu.cn

責(zé)任編輯：趙宇龍